微机系统组成及原理.ppt

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1、第一章 微机系统组成及原理,1.1 信息在计算机中的表示1.2 计算机发展概况1.3 微机系统结构与工作原理1.4 微机硬件1.5 微机软件1.6 嵌入式系统,1.1.1 计算机中的数据类型,位（Bit）、字节（Byte）、字（Word）、双字（Doubleword）、四字（Quardword）,1 bit=1个二进制位1 Byte=8 bit1 Word=2 Byte 1 Doubleword=2 Word=4 Byte1 Quardword=4 Word,Doubleword(7EACF053H),1.1信息在计算机中的表示,00H01H02H03H04H05H06H07H08H09H0A

2、H0BH0CH0DH,31H（字节）,74CBH（字）,数据在内存的存储方式,字节地址,字地址,数据在微机(INTEL)中存放的原则是,低地址放低字节，高地址放高字节,1.1.2 机器数与真值,对于带符号数（二进制表示），计算机用最高位表示符号：“0”表示正，“1”表示负，余下的位表示值。符号被数码化的带符号数称为机器数。常用原码、反码和补码表示。微机中用补码表示带符号数例：+22106=101 0110 0101 1010B为真值 而相应的机器数为0101 0110 0101 1010B=565BH,1.1.3 原码、反码与补码,(2n 1)为n个1，(2n 1)-|x|为|x|的反码，所以

3、求负数的补码可按“按位取反，末位加1”的方法进行。,微机中用补码表示带符号数,利用补码将减法运算转化为加法运算：X=X补补X+Y补=X补+Y补X-Y补=X补+-Y补,原码、反码与补码之间的关系,若X0，则X补=X反=X原若X0，则X反=X原的数值位按位求反。X补=X反+1,X=52=110100B X原=10110100B X反=11001011B X补=X反+1=11001100B,例：原码、反码、补码,例：真值的求解,将一个用补码表示的二进制数转换为十进制数。1)X补=0 0101110B 真值为：+0101110B 正数 所以：X=+46 2)X补=1 1010010B 负数 X=X补补

4、=11010010补=-0101110B 所以：X=-46,1.1.4 定点数与浮点数,定点数小数点位置固定（例如纯整数和纯小数）,浮点数小数点位置不固定（充分利用有限位数，扩大数的表示范围和精度）,浮点数的表示方法,符号 指数 尾数,S=0 正数S=1 负数,小数点位置与b0=1省略,微机系统的三种浮点数类型,【例1.3】将十进制数219.125表示成单精度浮点数。219.125D=11011011.001B=1.101101100127 E=7+127=134=10000110B。得到二进制表示的规格化的浮点数形式：,尾数（共23位），包括隐含的b0共24位,指数,符号,1.1.5 计算机

5、中常用码制,1BCD码（Binary Coded Decimal）,用二进制编码表示十进制数称为BCD码。一位十进制数需要用4位二进制编码表示。例如(0100 1001 0111 1000.0001 0100 1001)BCD(4 9 7 8.1 4 9)D压缩BCD码：一个字节表示两位十进制数非压缩BCD码：一个字节表示一位十进制数（使用低四位）,2.ASCII码 美国国家信息交换标准代码 ASCII（American Standard Code for Information Interchange）已成为计算机字符编码的国际标准,NUL 空SOH 标题开始STX 正文结束ETX 本文结束

6、EOT 传输结束ENQ 询问ACK 承认BEL 报警符BS 退格HT 横向列表LF 换行VT 垂直制表FF 走纸控制CR 回车SO 移位输出SI 移位输入SP 空格,DLE 数据链换码DC1 设备控制1DC2 设备控制2DC3 设备控制3DC4 设备控制4NAK 否定SYN 空转同步ETB 信息组传送结束CAN 作废EM 纸尽SUB 减ESC 换码FS 分隔符GS 组分隔符RS 记录分隔符US 单元分隔符DEL 作废,NULL,Space,ASCII字符表,3.中文编码,中文字符用二个字节表示，每个字节的最高位置1，余下的14位表示字符，构成汉字内码(GB2312-80)。汉字内码 是对汉字的

7、唯一标识。,汉字输入码 各种输入法所采用的汉字编码统称为输入码,汉字内码 输入的汉字在机器中必须转换为统一的机内码,汉字输出码 用于输出汉字字型的点阵编码,1.2 微机发展概况,Intel 2004年2月1日发布基于Prescott核心的第三代Pentium 4处理器。采用0.09微米的制造工艺，拥有一亿两千五百万个晶体管，管线也增加到了31级。配备1MB二级缓存，16KB的数据缓存。,2005/02/21：P4 6XX发布起跳频率为3.2GHz，L2 Cache 2MB，售价为215欧元,Gordon Moore 1965的预言已经40年了，这条IT第一定律还能走多远？,1971/11 In

8、tel 4004 2300 Transistors,1978/6 Intel 8086 29000 Transistors 3m,2002/4 Pentium 4-2.2G 55Million Transistors 0.13m,2004/2 Prescott 3.4G P4125Million Transistors 90nm,Gordon Moore made his famous,摩尔定律 CPU性能每18个月增加一倍,摩尔定律 晶体管数目每两年增加一倍,由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成；数据和程序以二进制代码形式存放；控制器根据存放在存储器中的程序来工作。,1.

9、3.1 微机系统结构,一台计算机是以运算器为中心，由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备组成。,冯诺依曼结构,1.3 微机系统工作原理,原始数据和指令,计算结果,微处理器系统的总线结构,2 组成微机系统的各部分通过地址总线AB、数据总线DB和控制总线CB联系在一起。,1 总线是计算机中各类公共信号线的集合，是计算机系统中各部分联络的规范通道。,微处理器是将运算器和控制器以及其它部件集为一体的大规模集成电路。,微处理器系统的总线结构,微处理器MPU包含运算器和控制器，是微机系统的核心部件。称为中央处理单元(CPU),存储器用来存放数据和程序；分为只读存储器ROM(Read Only Mem

10、ory)和随机存取存储器RAM(Random Access Memory),输入输出接口又称为I/O接口(Input/Output interface)，是微机系统与外部设备交换信息的电路和通道。,总线结构,MPU,单总线,双总线,双重总线,全局总线,数据总钱DB（Data Bus）用来传输数据信息，是双向总线，CPU既可通过DB从内存或输入设备读入数据，又可通过DB将内部数据送至内存或输出设备。地址总线AB（Address Bus）用于传送CPU发出的地址信息，是单向总线。目的是指明与CPU交换信息的内存单元或I/O设备。控制总线CB（Control Bus）用来传送控制信号、时序信号和状态

11、信息等。其中有的是CPU向内存和外设发出的信息，有的则是内存或外设向CPU发出的信息。可见，CB中每一根线的方向是一定的、单向的，但作为一个整体则是双向的，所以在各种结构框图中，凡涉及到控制总线CB，均以双向线表示。,(系统)外总线如并口、串口,(系统)内总线如ISA、PCI,片(间)总线 三总线形式,片内总线单总线形式,微机总线结构,微机系统的四级总线示意图,以全加器为基础，辅之以移位寄存器及相应控制逻辑，完成加、减、乘、除四则运算和各种逻辑运算,存放运算操作数和结果,根据指令发出控制信号,临时存放单元：暂时存放数据和地址,指示栈项地址,存放下一条要执行的指令的地址,寄存ALU操作结果的状态

12、,1.3.2 微处理器简化模型,指令概述,指令是规定计算机执行特定操作的命令。通常条指令包括两部分：操作码和地址码。操作码指明要完成操作的性质，如加、减、乘、除、数据传送、移位等；地址码指明参加上述规定操作的数据存放地址或操作数。,微型计算机每执行一条指令都是分成三个阶段进行：取指令（Fetch）、分析指令（Decode）和执行指令（Execute）。取指令阶段的任务是根据程序计数器PC中的值，从存储器读出现行指令,送到指令寄存器IR，然后PC自动加1指向下一条指令地址。,分析指令阶段的任务是将IR中的指令操作码译码，分析其指令性质。如指令要求操作数，则寻找操作数地址。执行指令阶段的任务是取出

13、操作数，执行指令规定的操作。根据指令不同还可能写入操作结果。微型机程序的执行过程实际上就是周而复始地完成这三阶段操作的过程，直至遇到停机指令时才结束整个机器的运行。,1.3.4 指令示例,ORG 1000HMOV A，5CH B0H 5CHADD A，2EH 04H 2EHJO 100AH CAH 0AH 10HMOV 0200H，A A2H 00H 02HHLT F4H,汇编语言源程序,对应机器码,指令执行过程图,CB,AB,DB,地址译码,读控制,MOV AL，5CHADD AL，2EH,1,1.4 微机硬件,字长计算机内部一次可处理的二进制数的位数。取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数

14、据总线的宽度。字长越长，则表示的数据精度越高，完成相同精度的数据运算速度越快,运算速度常用平均运算速度MIPS(Millions of Instruction Per Second)和CPU的主频表示。主频：微处理器运行的时钟频率。外频：微处理器外部总线的频率。早期微处理器的主频与外部总线的频率相同，从80486DX2开始，主频=外部总线频率倍频系数,1.4.1 微机系统的主要性能指标,微机系统的主要性能指标,存储器容量：内存和外存，通常以字节为单位。内存：微处理器的寻址空间和实际配置的存储器容量(内存条容量)。外存：硬盘容量。1K=210=1024；1M=220=1024K；1G=230=1

15、024M；1T=240=1024G,外设扩展能力计算机系统配接各种外部设备的可能性、灵活性和适应性。,1.4.2 微型计算机先进技术,1 微程序控制技术,根据要完成的操作控制信号编成若干“微指令”，存放在一个只读存储器里一条机器指令对应一段微指令。运行时，一条又一条地读出这些微指令，从而产生所需要的各种操作控制信号（微操作），使相应部件执行所规定的操作。这种利用软件方法来设计硬件的技术称作“微程序控制”,2 虚拟存储器技术 一种通过硬件和软件的结合来扩大用户可用存储空间的技术。程序预先放在外存储器中，在操作系统的统一管理和调度下，按某种置换算法依次调入内存储器被CPU执行。,微型计算机先进技术

16、,流水线技术是一种将每条指令分解为多步，并让各步操作重叠进行，从而实现几条指令并行处理的技术。,Pentium使用的6步流水线结构（1）取指令：CPU从高速缓存或内存中取一条指令。（2）指令译码：分析指令性质。（3）地址生成：很多指令要访问存储器中的操作数，操作数的地址也许在指令字中，也许要经过某些运算得到。（4）取操作数：当指令需要操作数时，就需再访问存储器，对操作数寻址并读出。（5）执行指令：由ALU执行指令规定的操作。（6）存储或写回结果：最后运算结果存放至某一内存单元或写回累加器A中。,3 流水线技术,微型计算机先进技术,4 高速缓冲存储器技术 为了加快运算速度，普遍在CPU与常规主存

17、储器之间增设了一级或两级高速小容量存储器（Cache）。将将要执行的指令和数据复制到缓存中，加快执行速度。,动态执行是目前CPU主要采用的先进技术之一。采用分支预测和动态执行的主要目的是为了提高CPU的运算速度。推测执行是依托于分支预测基础上的，在预测程序是否分支后所进行的处理也就是推测执行。推测执行技术的核心就是取指时，在局部范围内预先执行并判断所取指令的下一条指令最有可能的位置，Pentium 4系列CPU的分支预测正确率达到了90%。,参考,5 分支预测（branch prediction）和推测执行（speculation execution）,微型计算机先进技术,6 乱序执行（out

18、-of-order execution）,CPU根据各单元电路的空闲状态和各指令能否提前执行的具体情况分析后，将能提前执行的指令立即发送给相应电路执行。当然在各单元不按规定顺序执行完指令后还必须由相应电路再将运算结果重新按原来程序指定的指令顺序排列后才能返回程序。这种将各条指令不按顺序拆散后执行的运行方式就叫乱序执行（也有叫错序执行）技术。,RISC的指令简单，CPU在每一周期的任务单纯，因此CPU结构简单，有利于流水作业。从Pentium Pro开始，x86CPU都采用RISC内核+CISC到RISC译码器的结构。,当今多媒体信息处理对微机处理高速数据流提出了更新、更高要求。为满足这一要求，

19、在微处理器中加入了新的用于多媒体处理的指令和数据类型，支持单指令多数据，支持并行处理。,7 CISC指令集加RISC微结构,8 多媒体技术,1.4.3 微机系统组成,微机主板,电源、机箱,外围设备,外部设备,外存储器,模拟量I/O：A/D、D/A转换器、开关量I/O,过程I/O通道,PC总线、ISA、EISA、PCI、AGP,1 存储器,存储器是计算机的存储和记忆部件，用来存储数据和程序。,内存单元与地址计算机的内存储器是由若干内存单元组成的，每个内存单元存放一个字节的二进制信息。内存单元的总数目叫内存容量；计算机中每个内存单元有惟一的地址，CPU通过地址对指定单元的数据进行访问（读写）；内存

20、容量的大小由CPU的寻址空间决定。寻址空间=2n。,内存操作读操作CPU将内存单元的内容读入到CPU；写操作CPU将数据写到内存单元。,内存分类 ROM、RAM,每个内存单元有一个地址，每个地址的内存单元可存放1字节的数据内存单元的地址和内容是不同的概念,8086:220=1MBPII:236=64GB,2外设及输入输出接口,微机系统组成结构举例,典型结构是主板+CPU+存储器+外设。主板及其上的逻辑芯片组承担各部件总线连接和逻辑控制的作用。,Intel925X芯片组,Intel Pentium,Intel Pentium,Intel Pentium 4,AMD K6-2,Intel Pent

21、ium 4 3.0GHz(2002/4),微处理器,P4EE 与Intel925X芯片组（南北桥）,采用I 925X的主板,800 MHz系统总线 支持HT 双通道DDR2（Max 8GB）PCI Express USB2.0*8SATA/150*4,4条DDR2内存插槽 在双通道内存模式下925x芯片组最高可以提供8.5GB/s的带宽,PC8374L Super I/O芯片具备风扇监控和控制功能，具备Heceta6兼容寄存器组，可通过 LPC端口以及SMBus端口进行访问；南桥芯片扩展功能（主要提供对flash的读写操作以及软驱控制功能），支持电源管理，支持并口，串口，红外口和一个键盘鼠标控

22、制器，芯片采用128针PQFP封装。,Agere的双端口1394a PHY（物理层）/Link（链路控制器），其支持100/200/400Mbps的数据传输速率，这是一颗比较常见的IEEE 1394控制芯片。,板载的1000Mb网卡为MARVELL的88E8050 32Bit控制器，这是一种高可靠性以及第成本的桌面1000Mb网路解决方案，88E8050芯片内部正合理PHY收发器以及一个千兆的MAC控制，通过PCIEXPRESS总线连接到系统中，88E8050具有很强的用户配置功能，并且对网络唤醒等实用功能有很好的支持。,ALC880在硬件上支持7.1声道输出，支持2声道下192kHz 24b

23、its的采样率；5.1声道下的96Hz 24bits采样率；7.1声道下96kHz 24bits采样率，此外还支持Dolby Digital Live、Dolby Pro logic IIx、Dolby Headphone、Dolby Virtual Speaker等多种特点。,主板的扩展插槽，分别是1条16x的PCI Express插槽，2条1x的PCI Express插槽以及4条普通的32bit PCI插槽。,完整的输入输出接口，分别是两个PS/2端口、一个并口、一个串口、一个SPDIF输入接口、一个SPDIF输出接口、完整的一组7.1声道接口、四个USB 2.0接口、一个IEEE 139

24、4接口和一个RJ45接口。Intel D925XCV主板的输出输出接口基本涵盖了目前主板可以提供的所有接口，对于用户的适用性和扩展性来说是相当丰富的。,带制冷机的微电脑,1.5 微机软件,计算机语言机器语言汇编语言高级语言面向对象程序设计语言语言处理程序汇编程序解释程序编译程序,软件的分类,系统软件操作系统语言处理程序支持软件应用软件文字处理软件电路设计软件仿真软件,操作系统的概念,WINDOWSLINUX,1.6 嵌入式系统,单片机8位、16位、32位INTEL、TI、MOTOROLA、MICROCHIP嵌入式系统处理器ARM、MIPS、POWERPC操作系统VxWorks、Windows CE、PalmOS、PSOS、LynxOSLinux、Uc/OS,